Les turbines FRANCIS
| Pour décrire ce type de turbine qui est le plus répandu dans le monde, nous allons revenir brièvement sur la turbine de l’ingénieur français FOURNEYRON, dont nous avons déjà parlé au chapitre Naissance des turbines. |
| En 1843 une première turbine Fourneyron était installée aux Etats-Unis, c’était une machine centrifuge, c’est-à-dire avec alimentation axiale et écoulement de l’intérieur vers la périphérie, le rotor entourant le diffuseur. Le rendement de cette turbine atteignait 80% et la puissance 3700 kW en 1895. |
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Dès 1838, un américain Samuel B. Howd avait pris un brevet, resté sans suite, pour une machine fonctionnant en centripète, c’est-à-dire avec alimentation radiale et écoulement par l’intérieur. |
| C’est un ingénieur anglais, James Bichens FRANCIS, arrivé aux USA en 1833 à l’âge de 18 ans, qui à partir de la turbine Fourneyron et reprenant l’idée de Howd, parvenait en 1849 à la mise au point de la première turbine à alimentation radiale, le flux allant de l’extérieur vers l’intérieur. C’était la naissance de la turbine Francis qui s’imposera comme la plus efficace pour les chutes de hauteur moyenne avec un débit important. |
| Dans sa première version, la turbine Francis présente un écoulement strictement radial, progressivement le dessin des aubes va évoluer pour aboutir à un écoulement axial, vers le bas. En 1886 la turbine Francis sera dotée d’une tubulure d’alimentation en spirale. Dès lors la puissance mécanique fournie par cette turbine n’aura de cesse d’augmenter, en même temps les hauteurs de chute passeront de quelques dizaines à plusieurs centaines de mètres. |
| ci-dessus: groupe alternateur-turbine Francis de forte puissance (400/500MW), le poids de l’ensemble (plusieurs centaines de tonnes), auquel s’ajoute la poussée axiale due à la pression de l’eau, est supporté par le palier principal. Ce palier n’est pas constitué de roulements géants, mais simplement de deux surfaces lisses séparées par un film d’huile sous pression, pendant l’arrêt du groupe la pression s’efface et les deux surfaces reviennent en contact. Des paliers de guidage, assurent la verticalité de l’arbre, un premier palier est placé au dessus de la roue de turbine, un deuxième palier, éventuellement un troisième, au plus prés de l'alternateur. |
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| roue Francis, vue de "dessous", côté sortie d'eau, on note la forme des aubes qui génère l'effet réaction sur la roue. | roue Francis, vue de profil, côté arrivée d'eau, on note, sur la couronne qui solidarise les aubes, l'usinage de la partie inférieure n'est pas encore réalisé, c'est là que se fera l'étanchéité avec le stator de la turbine, comparez avec la vue de gauche. |
| La turbine Francis est généralement installée selon un axe vertical. Fonctionnement d'un groupe vertical,voir film d'animation interactif. (document Hydro-Québec) |
| Pour des faibles et moyennes puissances, la turbine Francis peut être montée sur un axe horizontal, dans cette configuration on peut rencontrer le montage de deux turbines encadrant l’alternateur, identique au schéma avec deux turbines Pelton. |
| On a aussi construit des variantes de roue Francis double, avec ou sans ceinture reliant les aubes, cette turbine se présente sous la forme de deux roues assemblées dos à dos, alimentées par une bâche commune, deux aspirateurs encadrent la machine pour l’évacuation de l’eau, cette configuration, à axe horizontal , présente l’avantage de supprimer la poussée axiale sur les paliers, qui est une caractéristique des turbines fonctionnant sous la pression de l’eau. |
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| ci-contre: une roue de turbine Francis double, on remarque l'absence de couronne. Le distributeur est commun aux deux demi roues, deux aspirateurs, placés de chaque côté évacuent l'eau en sortie de roue. (la roue Francis double existe également avec couronnes sur les aubes) |
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Dans tous les cas l’eau arrive sur la périphérie du rotor par une tubulure en spirale de section décroissante, appelée bâche. Cette bâche comporte des cloisons incurvées, les avants directrices, qui orientent la circulation de l’eau vers les directrices, sorte de volets profilés, orientables qui dirigent le flux d’eau vers les aubes du rotor, l’ensemble en réduisant la section de passage de l’eau augmente sa vitesse et transforme en partie l’énergie de pression (potentielle) en énergie cinétique. |
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Les directrices, actionnées par un cercle de vannage, permettent le réglage du débit, donc de la puissance mécanique. Sur une turbine Francis l’amplitude possible de la variation de puissance est nettement plus réduite que celle des deux autres types de turbines (entre 60% et 100%). |
| En raison de la forme donnée aux aubes de la roue, l’eau en s’échappant agit par réaction, à la manière d’un tourniquet hydraulique, sa vitesse absolue est devenue très faible tandis que sa vitesse par rapport à la roue est à sa valeur maximum. En sortie de roue l’eau est évacuée par une tubulure de section croissante l’aspirateur, qui en créant une petite dépression augmente virtuellement la hauteur de chute. |
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La turbine Francis fonctionne par action à l’arrivée de l’eau et par réaction à sa sortie de la roue. |
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Puissance maximum développée par la turbine Francis : - en 1922 : 40 MW - en 1961 : 150 MW - en 1974 : 800 MW |
| Le diamètre de roue de cette turbine va de 0,6m à 10m. Les vitesses de rotation sont dans une fourchette de 70 à 1000 tours par minute. Son domaine d’utilisation ce sont les moyennes chutes, mais on trouve des turbines Francis installées sous 750m de hauteur de chute. |
| ci-dessus: roue de turbine Francis de 700 MW, en route vers le barrage Sanxia sur le Yang Tsé (barrage des Trois Gorges) |
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| ci-dessus: barrage-usine d'Itaipu sur le rio Parana (Brésil et Paraguay), roue de turbine Francis de 700 MW suspendue (400 tonnes) au pont roulant avant sa descente dans la fosse. La roue sera surmontée par l'alternateur dont le stator est en cours de montage, sous les bâches blanches, on appréciera les dimensions par comparaison avec le personnel qui assiste à l'opération ! |
| Les pompes-turbines |
| Ce sont des roues de type Francis adaptées pour un fonctionnement réversible. Lors des séquences pompages l’alternateur devient moteur synchrone, alimenté en énergie électrique par le réseau, le sens de rotation du groupe est inversé. Une pompe de ce type fonctionne correctement en turbine, alors qu'une turbine Francis est une mauvaise pompe. Cette caractéristique découle du profil et de la longueur des canaux entre les aubes de la roue. Comparez l'image ci-dessous avec celles des roues de turbine plus haut. Ce sont ces machines qui sont installées dans les STEP (station de transfert d’énergie par pompage), nous en reparlerons au chapitre des STEP. Les pompes-turbines peuvent comporter un ou plusieurs étages de roues, pour des refoulements sur de très grandes hauteurs. |
| ci-dessous : une roue de pompe-turbine |
